Hiển thị nhiệt độ & độ ẩm Thermochromic: 10 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Tôi đã làm việc với dự án này trong một thời gian khá dài. Ý tưởng ban đầu đến với tôi sau khi xây dựng một trình điều khiển TEC tại nơi làm việc cho một hội chợ thương mại. Để thể hiện khả năng sưởi ấm và làm mát của TEC, chúng tôi đã sử dụng sơn nhiệt sắc chuyển từ màu đen sang màu trong suốt.

Trong dự án này, tôi đã thực hiện ý tưởng xa hơn và xây dựng một màn hình hiển thị hai chữ số 7 phân đoạn bằng cách sử dụng các tấm đồng được bao phủ bởi các tấm nhiệt sắc dựa trên tinh thể lỏng. Đằng sau mỗi tấm đồng có một phần tử TEC kiểm soát nhiệt độ và do đó thay đổi màu sắc của tấm tinh thể lỏng. Các con số sẽ hiển thị nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến DHT22.

Bạn có thể đánh giá cao sự trớ trêu của việc có một thiết bị hiển thị nhiệt độ môi trường xung quanh bằng cách thay đổi nhiệt độ của chính nó;-)

Quân nhu

• 3 chiếc, tấm tinh thể lỏng 150x150 mm (29-33 ° C) (xem tại đây).
• 17 chiếc, tấm đồng, dày 1mm (kích thước xem bên dưới)
• Tấm nhôm 401 x 220 x 2 mm (anodized xám / đen)
• Tấm acrylic 401 x 220 x 2 mm (trắng)
• 18 chiếc, phần tử Peltier TES1-12704
• 9 chiếc, trình điều khiển động cơ kép TB6612FNG
• 6 chiếc, Arduino Nano
• 2 chiếc, quạt làm mát 40x40x10 mm
• 18 chiếc, tản nhiệt 25x25x10 mm
• Nguồn điện 12 V, 6 A
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 (AM2302)
• 6 chiếc, standoffs PCB dài 40 mm

Ngoài ra, tôi đã sử dụng loại epoxy dẫn nhiệt này khá rẻ và có tuổi thọ cao. Một công cụ khoan và dremel đã được sử dụng để tạo các lỗ cần thiết trên các tấm nhôm và acrylic. Giá đỡ cho arduinos và PCB của trình điều khiển động cơ được in 3D và gắn bằng keo nóng. Ngoài ra, tôi đã sử dụng rất nhiều và rất nhiều dây dupont để tạo tất cả các kết nối. Hơn nữa, PCB này với các thiết bị đầu cuối vít rất tiện dụng để phân phối nguồn điện 12 V.

Chú ý: Rõ ràng, nhiều bo mạch TB6612FNG đã lắp sai tụ điện. Mặc dù tất cả những người bán đều chỉ định bảng cho điện áp động cơ lên đến 15 V, nhưng các tụ điện thường chỉ được đánh giá ở mức 10 V. Sau khi tôi thổi các tụ điện trên hai bảng đầu tiên của mình, tôi đã khử nước tất cả chúng và thay thế chúng bằng những cái thích hợp.

Bước 1: Làm tấm đồng

Đối với các tấm đồng, tôi đã sử dụng dịch vụ cắt laser trực tuyến (xem tại đây), nơi tôi có thể tải lên các tệp dxf đính kèm. Tuy nhiên, vì các hình dạng không phức tạp lắm, nên cắt laser không phải là điều bắt buộc và có lẽ có nhiều kỹ thuật sản xuất rẻ hơn (ví dụ như đục lỗ, cưa). Tổng cộng, 14 phân đoạn, hai vòng tròn và một dấu gạch ngang là cần thiết cho màn hình. Độ dày của các tấm đồng là 1 mm nhưng có thể giảm xuống 0,7 hoặc 0,5 mm sẽ cần ít điện năng làm nóng / làm mát hơn. Tôi đã sử dụng đồng vì khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt vượt trội hơn so với nhôm nhưng loại sau này cũng hoạt động tốt.

Bước 2: Gắn tấm tinh thể lỏng

Thành phần quan trọng của dự án này là lá tinh thể lỏng nhiệt sắc mà tôi thu được từ SFXC. Giấy bạc có sẵn trong các phạm vi nhiệt độ khác nhau và thay đổi màu sắc từ màu đen ở nhiệt độ thấp sang màu đỏ, cam và xanh lục sang xanh lam ở nhiệt độ cao. Tôi đã thử hai băng thông khác nhau 25-30 ° C và 29-33 ° C và cuối cùng chọn băng thông thứ hai. Vì sưởi ấm bằng phần tử peltier dễ hơn làm lạnh nên phạm vi nhiệt độ phải cao hơn nhiệt độ phòng một chút.

Lá tinh thể lỏng có lớp nền tự dính dính rất tốt vào các tấm đồng. Phần giấy thừa được cắt xung quanh đĩa bằng dao chính xác.

Bước 3: Gắn phần tử TEC

Các viên được gắn vào giữa mỗi tấm đồng bằng cách sử dụng epoxy dẫn nhiệt. Các tấm này lớn hơn một chút so với viên để chúng hoàn toàn ẩn phía sau. Đối với tấm dài hơn tạo thành dấu gạch ngang của biểu tượng phần trăm, tôi đã sử dụng hai viên nén.

Bước 4: Chuẩn bị tấm nhôm

Để tiết kiệm một số tiền, tôi đã tự mình khoan tất cả các lỗ trên tấm nhôm. Tôi vừa in ra bản pdf đính kèm trên giấy A3 và sử dụng nó làm mẫu khoan. Có một lỗ cho mỗi đoạn nơi cáp TEC chạy qua và 6 lỗ trên các cạnh để gắn tấm acrylic sau này.

Bước 5: Đính kèm phân đoạn

Một trong những phần khó nhất trong dự án này là gắn các phân đoạn một cách chính xác vào tấm nền. Tôi đã in 3D một số đồ gá có thể giúp tôi căn chỉnh các phân đoạn nhưng điều này chỉ hoạt động một phần vì các phân đoạn liên tục trượt đi. Ngoài ra, các dây cáp đẩy lên tấm đệm để nó lỏng ra khỏi tấm. Bằng cách nào đó tôi đã cố gắng dán tất cả các phân đoạn vào đúng vị trí nhưng một trong những viên nén trong phân đoạn gạch ngang có khớp nối nhiệt rất tệ. Có thể tốt hơn nếu sử dụng miếng đệm nhiệt tự dính thay vì epoxy mặc dù tôi nghi ngờ nó có thể lỏng ra theo thời gian.

Bước 6: Gắn đế tản nhiệt và giá đỡ

Ý tưởng ban đầu của tôi là chỉ sử dụng tấm nhôm làm tản nhiệt cho máy ép viên ngay cả khi không có bất kỳ quạt nào. Tôi nghĩ rằng tổng nhiệt độ của tấm sẽ chỉ tăng lên một chút vì một số phân đoạn được làm mát trong khi những phân đoạn khác được làm nóng. Tuy nhiên, hóa ra nếu không có bộ tản nhiệt bổ sung và không có quạt làm mát, nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng đến mức không thể làm mát các tấm đồng nữa. Điều này đặc biệt có vấn đề vì tôi không sử dụng bất kỳ nhiệt điện trở nào để điều khiển công suất sưởi / làm mát mà luôn sử dụng một giá trị cố định. Vì vậy, tôi đã mua những tấm tản nhiệt nhỏ có miếng lót tự dính được gắn vào mặt sau của tấm nhôm phía sau mỗi viên kim loại.

Sau đó, các giá đỡ in 3D cho trình điều khiển động cơ và arduinos cũng được gắn vào mặt sau của tấm bằng cách sử dụng hotglue.

Bước 7: Tải lên mã

Mỗi arduino chỉ có thể điều khiển tối đa hai trình điều khiển động cơ vì chúng cần hai chân PWM và 5 IO kỹ thuật số. Cũng có những trình điều khiển động cơ có thể được cuộn qua I2C (xem tại đây) nhưng chúng không tương thích với logic 5 V của arduinos. Trong mạch của tôi có một arduino "chủ" giao tiếp với 5 arduino "nô lệ" thông qua I2C để lần lượt điều khiển các trình điều khiển động cơ. Có thể tìm thấy mã cho arduinos tại đây trên tài khoản GitHub của tôi. Trong mã cho arduinos "nô lệ", địa chỉ I2C phải được thay đổi cho mỗi arduino trong tiêu đề. Ngoài ra còn có một số biến số cho phép thay đổi công suất sưởi / làm mát và hằng số thời gian tương ứng.

Bước 8: Đi dây điên cuồng

Hệ thống dây điện của dự án này hoàn toàn là một cơn ác mộng. Tôi đã đính kèm một sơ đồ fritzing cho thấy các kết nối cho arduino chính và một arduino nô lệ duy nhất làm ví dụ. Ngoài ra, có một tài liệu pdf mà TEC được kết nối với trình điều khiển động cơ nào và arduino. Như bạn có thể thấy trên hình ảnh do số lượng lớn các kết nối, hệ thống dây điện trở nên rất lộn xộn. Tôi đã sử dụng kết nối dupont bất cứ nơi nào có thể. Nguồn điện 12 V được phân phối bằng cách sử dụng PCB với các đầu cuối vít. Trên đầu vào nguồn điện, tôi đã gắn một cáp DC có dây dẫn bay. Để phân phối các kết nối 5 V, GND và I2C, tôi đã trang bị một số PCB nguyên mẫu với các đầu cắm pin nam.

Bước 9: Chuẩn bị tấm acrylic

Tiếp theo, tôi khoan một số lỗ trên tấm acrylic để nó có thể được gắn vào tấm nhôm thông qua các giá đỡ PCB. Ngoài ra, tôi đã thực hiện một số vết cắt cho các quạt và một khe cho cáp cảm biến DHT22 bằng công cụ dremel của tôi. Sau đó, các quạt được gắn vào mặt sau của tấm acrylic và các dây cáp được đưa qua một số lỗ mà tôi đã khoan. Lần sau có lẽ tôi sẽ làm tấm bằng phương pháp cắt laser.

Bước 10: Hoàn thành dự án

Cuối cùng, tấm acrylic và tấm nhôm đã được gắn vào nhau bằng cách sử dụng các đường viền PCB dài 40 mm. Sau đó dự án kết thúc.

Khi được kết nối với nguồn điện, các phân đoạn sẽ hiển thị nhiệt độ và độ ẩm xen kẽ. Đối với nhiệt độ, chỉ có dấu chấm phía trên sẽ thay đổi màu sắc trong khi dấu gạch ngang và dấu chấm phía dưới được đánh dấu khi hiển thị độ ẩm.

Trong mã, mỗi phân đoạn hoạt động được làm nóng trong 25 giây đồng thời làm lạnh các phân đoạn không hoạt động. Sau đó tắt máy ép viên trong 35 giây để nhiệt độ có thể ổn định trở lại. Tuy nhiên, nhiệt độ của các tấm đồng sẽ tăng lên theo thời gian và phải mất một thời gian cho đến khi các phân đoạn chuyển màu hoàn toàn. Dòng điện rút ra cho một chữ số (7 đoạn) được đo là khoảng 2 A vì vậy tổng dòng điện kéo cho tất cả các đoạn có thể gần với mức tối đa 6 A mà nguồn điện có thể cung cấp.

Chắc chắn người ta có thể giảm tiêu thụ điện năng bằng cách thêm nhiệt điện trở làm phản hồi để điều chỉnh công suất sưởi / làm mát. Tiến thêm một bước nữa là sử dụng bộ điều khiển TEC chuyên dụng với vòng lặp PID. Điều này có thể cho phép hoạt động liên tục mà không tiêu thụ nhiều điện năng. Tôi hiện đang suy nghĩ về việc xây dựng một hệ thống như vậy bằng cách sử dụng trình điều khiển Thorlabs MTD415T TEC.

Một bất lợi khác với cấu hình hiện tại là người ta có thể nghe thấy đầu ra PWM 1 kHz của trình điều khiển động cơ. Cũng sẽ rất tuyệt nếu một người có thể loại bỏ những người hâm mộ vì họ cũng khá ồn ào.

Giải nhất cuộc thi kim loại